上海交通大學 王鴻東 黃 一 閆昭琨

伴隨著人工智能技術與海洋裝備領域的深度融合，以無人艇為代表的智能船艇迎來前所未有的發(fā)展機遇，逐漸成為未來海上作業(yè)的有生力量。智能船艇的關鍵技術根據(jù)不同的劃分方式，可形成多種體系。縱觀國內(nèi)外學者論述，通常劃分為智能系統(tǒng)、平臺總體、任務載荷和綜合保障四個技術群。其中，智能系統(tǒng)技術水平是船艇遂行任務，發(fā)揮效能的關鍵。

表 智能船艇測試驗證方法

圍繞智能系統(tǒng)的關鍵技術需求，國內(nèi)外學者在信息感知、規(guī)劃決策、運動控制以及集群協(xié)同等方面，開展了大量卓有成效的理論研究工作，并開發(fā)了多種型號的產(chǎn)品投入工程應用。在實踐探索中，人們意識到：智能船艇所處實海域環(huán)境的多物理場，構(gòu)成了一個復雜的隨機環(huán)境系統(tǒng)，對船艇的自主能力產(chǎn)生較大影響。不同于傳統(tǒng)人機交互操控的艦船，智能船艇是典型的軟件密集系統(tǒng)，需要通過大量感知信息、認知經(jīng)驗和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，驗證智能功能，并持續(xù)迭代算法參數(shù)與架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)自主能力的持續(xù)提升。因此，智能船艇在技術預研、樣機試制、交付驗收等階段的測試驗證技術，是我國船檢機構(gòu)與軍事部門亟需構(gòu)建的新型能力。

近年來，美國、挪威、芬蘭及我國相繼啟動了智能船艇測試場的建設工作，但智能船艇的測試驗證技術以及測試數(shù)據(jù)使用方法研究，尚處于起步階段。

智能船艇測試驗證方法

針對智能船艇的技術特點，上海交通大學海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點實驗室提出智能船艇測試驗證方法：構(gòu)建模型在環(huán)測試、軟件在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試、實船驗證環(huán)節(jié)，通過真實件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成船艇的測試驗證工作。

1、模型在環(huán)（Model in the Loop, MIL）

模型在環(huán)測試主要服務于新控制算法策略的探索開發(fā)，主要參與對象一般為企業(yè)新技術的研發(fā)人員或?qū)W術機構(gòu)研究人員。除了數(shù)理層面上的推導分析外，模型驅(qū)動的開發(fā)及仿真環(huán)境主要有MATLAB/Simulink、C/C++、Python等，主要為動態(tài)腳本語言，開展白盒測試便于遇到問題時快速進行修改。當然，MIL測試的前提是要有被控對象模型，如描述船艇操縱運動的Abkowitz方程或MMG方程。

2、軟件在環(huán)（Software in the Loop, SIL）

船艇智能系統(tǒng)軟件開發(fā)人員將經(jīng)過模型在環(huán)測試的策略算法/軟件，使用C/C++等編譯型語言進行轉(zhuǎn)換開發(fā)，得到鏈接庫或可執(zhí)行文件形式、命令行或圖形交互界面的軟件后，輔以合適的軟件配置參數(shù)，即可進行軟件在環(huán)測試。軟件在環(huán)測試采用黑盒測試，主要驗證的是控制器的模型與代碼實現(xiàn)之間的一致性。通過使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的驗證平臺，可以通過靈活設立邊界條件、加大運算負荷、提升計算精度、限制計算資源等方式及早發(fā)現(xiàn)控制器算法和代碼實現(xiàn)中存在的隱患，進一步檢驗極端參數(shù)環(huán)境下控制器算法及應用軟件的可靠性及優(yōu)越性。該環(huán)節(jié)的典型測試對象有：避碰算法軟件、感知信息多元融合處理軟件、自動舵控制軟件等。

3、硬件在環(huán)（Hardware in the Loop, HIL）

硬件在環(huán)測試，又稱半實物測試，是將船艇智能系統(tǒng)中需要測試的部分硬件直接置于仿真回路中的測試系統(tǒng)，它不僅彌補了純數(shù)字仿真中相關硬件仿真模塊精度較低等缺陷，提高了整個測試系統(tǒng)的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。測試時，基于物理數(shù)據(jù)環(huán)境或試驗臺環(huán)境的驗證平臺與實際硬件通過各種信息通道相連，共同完成測試仿真工作，并將測試仿真結(jié)果在電腦中進行分析，從而判斷硬件的運行情況。應用硬件在環(huán)測試使仿真條件更接近于實際情況，更能正確地對設計出的硬件系統(tǒng)性能進行檢驗和調(diào)試，有利于開發(fā)新型硬件系統(tǒng)和算法，減少現(xiàn)場調(diào)試次數(shù)。該環(huán)節(jié)的典型測試對象有：嵌入式工控機、光電跟蹤設備與計算顯卡等。

4、實船驗證（Sea Test, ST）

復雜海洋環(huán)境將對智能船艇效能產(chǎn)生較大影響。例如，在我國首次實海況下智能船艇競賽2019“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽中，參賽船艇出現(xiàn)了諸如因水面反光導致目標檢測虛警、波浪抨擊導致跟蹤目標頻繁丟失、甲板上浪導致光學識別失效等智能算法應用問題，導致任務失敗。因此，船艇智能系統(tǒng)即使通過了模型在環(huán)、軟件在環(huán)及硬件在環(huán)測試，在投入工程應用前，實船驗證環(huán)節(jié)不可或缺。該環(huán)節(jié)由裝備采購部門或無人艇總體集成單位提出請求，由具有測試服務資質(zhì)的第三方機構(gòu)，依據(jù)智能船艇任務需求在實海域測試場中構(gòu)建任務場景，開展完備的系統(tǒng)兼容測試驗證。

船艇智能系統(tǒng)測試驗證平臺設計

基于智能船艇測試驗證方法，研究團隊設計提出一種船艇智能系統(tǒng)測試驗證平臺架構(gòu)，平臺由“數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法功能測試平臺”和“實物/半實物功能測試平臺”兩大子平臺共同構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 船艇智能系統(tǒng)測試驗證平臺架構(gòu)

其中，“數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法功能測試平臺”用于模型在環(huán)與軟件在環(huán)階段，開展船艇智能系統(tǒng)的虛擬仿真測試驗證。該平臺利用船艇運動學與動力學模型、任務區(qū)域風浪流模型、模擬任務場景等先驗數(shù)據(jù)信息開展智能功能測試工作，彌補實際硬件、軟件的信息不足。平臺通過仿真的方式，對船艇智能系統(tǒng)的功能關系、控制邏輯關系、輸入/輸出參數(shù)、數(shù)據(jù)流進行需求確認，對智能系統(tǒng)進行可行性分析、驗證，對船艇決策流及信號流進行優(yōu)化，快速檢驗船艇智能系統(tǒng)功能。

“實物/半實物功能測試平臺”用于硬件在環(huán)與實船驗證階段，依托專業(yè)化實海域測試場及試驗支持母船開展測試驗證。在硬件在環(huán)的半實物測試中，待測試的控制單元硬件通過虛擬網(wǎng)絡總線，連接到虛擬的仿真環(huán)境中來測試核心算法的可行性和控制器的有效性。在實船實海域測試中，測試機構(gòu)需將裝備的任務目標要求，最大程度解耦、量化成可供對比分析的測試指標，其中，既有智能船艇作為海上移動平臺的共性指標，又有智能船艇依靠載荷執(zhí)行任務的個性指標。在此基礎上，設計相應的測試科目，構(gòu)建測試場景，實現(xiàn)基于任務的智能船艇綜合測試驗證。

智能船艇測試場建設與運營

2018年3月起，研究團隊在山東日照開展了測試場建設與運營探索，并于2019年9月，獲頒中國船級社無人艇測試服務供方資格認可證書。測試場現(xiàn)擁有600公頃專屬試驗水域及40000公頃合作試驗水域，平均水深大于15米。測試場建有由GPS與基站電臺組成（可接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)）DGPS基站，配備高增益天線，可覆蓋半徑10km、角度90度的扇形地理區(qū)域，實現(xiàn)精度10厘米的亞米級海上精確定位?；谘芯繄F隊自主開發(fā)的船載數(shù)據(jù)采集裁判終端和基于時序數(shù)據(jù)庫的信息管理系統(tǒng)，測試場能滿足各種復雜測試科目設定下的智能船艇功能調(diào)試、性能測試、智能演進需求，并先后為“同方佰宜鴻聲”無人艇、“JARI-USV”無人艇等提供測試驗證服務。

圖2 “同方佰宜鴻聲”無人艇測試場景

秉承“以賽促建、快速迭代”的理念，研究團隊自2019年起，每年與中國造船工程學會、中國船級社等單位聯(lián)合主辦“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽，通過設計科學化科目，開發(fā)標準化測試平臺，吸引船海工程、航海技術、自動控制等多學科領域的行業(yè)專家、高校師生利用測試場開展智能船艇研發(fā)工作，促進測試驗證平臺建設。

針對智能船艇感知算法研發(fā)需求，研究團隊開發(fā)云算力測試平臺，提供船艇海試過程中真實環(huán)境下錄制的水面實景視頻片段數(shù)據(jù)集，要求檢測出最后畫面中所有的不同海洋結(jié)構(gòu)物（包括海岸、障礙物）的位置及置信度，考察船艇在復雜海洋環(huán)境下檢測不同海上小目標的能力。

圖3 “海上爭鋒”2020中國智能船艇挑戰(zhàn)賽部分競賽畫面

針對智能船艇避碰算法研發(fā)需求，研究團隊與中國船級社聯(lián)合開發(fā)基于船艇KT模型、MMG模型的在線測試平臺，聚焦智能船艇海上自主避讓機動船舶算法，考察高精度仿真環(huán)境下船艇的自主避碰功能。在測試海域范圍（開闊水域，除船舶外無其余海上礙航物）為20海里*20海里的矩形區(qū)域內(nèi)，設計了目標船數(shù)目為一至兩條的不同典型會遇場景。被測算法可依照接收到的船舶的總長度、最大寬度等靜態(tài)參數(shù)以及以固定頻率分發(fā)的船舶位置、航速、航向等動態(tài)信息，在遵守《國際海上避碰規(guī)則》的要求下，在合適的時機發(fā)出相應的避碰決策及操縱指令。

智能船艇測試場發(fā)展建議

“智能”船艇與傳統(tǒng)“自動”船艇的關鍵區(qū)別在于，能否利用測試數(shù)據(jù)實現(xiàn)自主學習優(yōu)化，即“智能演進”。因此，智能船艇測試場不僅是服務于智能功能驗證需求的“測試場”，更應該是服務于智能系統(tǒng)開發(fā)需求的“訓練場”?；谏鲜鰧嵺`探索，研究團隊認為，我國各測試場應在中國船級社的指導下，建立技術交流機制，設立智能船艇測試驗證技術專家委員會（以下簡稱“委員會”），并提出發(fā)展建議如下：

一是打造標準數(shù)據(jù)模型，協(xié)同各測試場開展數(shù)據(jù)生產(chǎn)。相比于無人機、無人車的測試開發(fā)，智能船艇實海域試驗成本高昂，且存在環(huán)境標定困難與樣本數(shù)據(jù)量小等特殊問題。為高效獲取“數(shù)據(jù)原料”，委員會應推出若干標準船型，實現(xiàn)實船、縮比模型船、虛擬船的對象統(tǒng)一，便于智能系統(tǒng)的算法遷移與多工況功能驗證，發(fā)揮數(shù)據(jù)時代“1+1>2”的協(xié)同效應。

二是建立數(shù)據(jù)運營體系，促進各測試場做好數(shù)據(jù)服務。當前條件下，測試場的智能功能驗證業(yè)務收入遠不能覆蓋其運營成本，還需結(jié)合智能系統(tǒng)開發(fā)需求，提供以數(shù)據(jù)采集、管理、利用為核心的測試開發(fā)一體化服務。為促進基于測試場的智能船艇研發(fā)生態(tài)形成，委員會應面向工程與學術需求，建立數(shù)據(jù)運營體系，并從數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)使用、數(shù)據(jù)引用等方面，對測試場運營狀況進行評價。

三是創(chuàng)新數(shù)據(jù)共享平臺，依托各測試場助力人才培養(yǎng)。海洋裝備的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，對傳統(tǒng)船海學科人才的知識結(jié)構(gòu)提出了巨大挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)辦“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽，測試場成為“練兵場”，多學科人才跨界互動的局面初現(xiàn)。為促進航運業(yè)、造船業(yè)在新時期的蓬勃發(fā)展，委員會應通過挑戰(zhàn)賽、揭榜掛帥、任務眾包等形式，推動測試場共享部分數(shù)據(jù)，降低交叉創(chuàng)新門檻，助力行業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。